(57)【要約】【課題】光学的手法に基づく測定光学プローブにおいて励起効率、集光効率、タンパク等の表面固定能力を向上させ、分析測定精度の向上を図る。【解決手段】光学プローブ１は例えば光学的に透明な合成樹脂材等から成り、主として円柱状の光導波部２と、上部に光を入出射するための凸レンズ状の光入出射部３とから成り、光導波部２と光入出射部３の間には測定装置に装着する際に使用されるフランジ４が設けられている。  この光学プローブ１は、光導波部２の表面の特定個所に、制御された表面粗さを有しており、この表面粗さは光入出射側でより小さく、先端側でより大きくされている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的透明材から成り光入出射部と光導波部とを有し、該光導波部の表面の特定個所を所定の表面粗さにしたことを特徴とする光学プローブ。
【請求項２】
前記表面粗さは前記光導波部の入出射側では小さく、先端側では大きくしたことを特徴とする請求項１に記載の光学プローブ。
【請求項３】
前記光導波部は円柱状又は板状としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学プローブ。
【請求項４】
測定装置に対する取付部を設け、該取付部により前記測定装置に着脱自在としたことを特徴とする請求項１〜３の何れか１つの請求項に記載の光学プローブ。
【請求項５】
光学的透明材から成り光入出射部と光導波部とを有し、前記光導波部の表面の特定個所を所定の表面粗さにした光学プローブと同形状のマスタを作製し、該マスタを用いて電解鋳造により加工した駒を組み込んだ金型により射出成形により製造することを特徴とする光学プローブの製造方法。
【請求項６】
光学的透明材から成り光入出射部と光導波部とを有する光学プローブの製造に当り、射出成形において保持圧力を制御することにより、前記光導波部の先端側の表面粗さを大きくすることを特徴とする光学プローブの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的手法に基づく分析測定装置に用いる光学プローブ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
試料による光の吸収又はその結果生ずる蛍光を、分析手法として利用することは様々な分野において行われ、その多くは光透過性の容器（セル）に試料を入れて、容器の外側から観測を行うものである。しかし、別の手法として光透過性の材料から成る光導波路を光学プローブとし、光を光学プローブに導入し或いは光学プローブから収集して、光学プローブの表面を光学的に観測することも屡々行われている。このような光学プローブは、試料や反応溶液に接触させ、同時に又はその後に適当な光学系と接続され、試料による吸収又は蛍光がモニタされる。
【０００３】
このうち、一般に蛍光を用いる方法はより高感度であり、特に光学プローブ内の光を内部全反射光とし、その際に光学プローブ表面に発生するエバネッセント波を励起光とする方法は、光学プローブ表面での現象を選択的に観測することができるため、例えば抗原抗体反応に基づく免疫測定法を高感度に行うために用いられる。板状や円柱状の細長い光学プローブは、単位体積当りの内部全反射回数を多くすることが可能であり、効率の良い励起を行うことができる。
【０００４】
板状の所謂スラブ型の光学プローブを用いる形態は研究用に多用され、数多くの例があるが、特許文献１のようにセルの壁面を兼ねているものは、利便性が高く有用である。円柱状の光学プローブを用いる形態としては、光源又は検出器に直結した光学ファイバの一部をセンサとして用いるものもあるが、特許文献２〜４のようにセンサとして使用する部分が物理的に独立したものがある。
【０００５】
以上の例は、装置に対して着脱可能な光学プローブであり、これらは使い捨て性やコストにより、合成樹脂を射出成形などの成形法で加工して作製されることが多い。この際に、射出成形用の型又は型に組み込む駒は、所望の形状に合わせて下穴を加工機で切削し、その後に内表面を研磨して作製する場合が一般的である。
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−２７３０４２号公報
【特許文献２】特開平５−５７４２号公報
【特許文献３】米国特許４５８２８０９号公報
【特許文献４】米国特許６１３６６１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし上記の型による作製方法では、型内の表面粗さ即ち光学プローブの表面粗さを任意に設定することは困難である。そのため、表面粗さは均一な粗さになるか、又は意図しない部分的な表面の粗さのばらつきが生じている。
【０００８】
表面の粗さは、内部全反射光が散乱により外部に漏れる原因となり易く、エバネッセント波を選択的に利用する場合には障害となる。しかし、エバネッセント波ではない通常光を利用したほうが励起効率が良い場合もある。
【０００９】
また、光学プローブが集光系を兼ねている場合には、蛍光が光学プローブの表面で反射されてしまうことを抑制する効果も期待できる。更に、適度な表面粗さは光学プローブ表面にタンパクなどを固定する場合の助けとなり得る。
【００１０】
本発明の目的は、上述の問題点を解消し、抗原に対する表面固定能力を向上させ効果的な測定が可能な光学プローブ及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明に係る光学プローブは、光学的透明材から成り光入出射部と光導波部とを有し、該光導波部の表面の特定個所を所定の表面粗さにしたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明に係る光学プローブの製造方法は、光学的透明材から成り光入出射部と光導波部とを有し、前記光導波部の表面の特定個所を所定の表面粗さにした光学プローブと同形状のマスタを作製し、該マスタを用いて電解鋳造により加工した駒を組み込んだ金型により射出成形により製造することを特徴とする。
【００１３】
更に、本発明に係る光学プローブの製造方法は、光学的透明材から成り光入出射部と光導波部とを有する光学プローブの製造に当り、射出成形において保持圧力を制御することにより、前記光導波部の先端側の表面粗さを大きくすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の光学プローブは、光導波部の表面の特定個所に所定の表面粗さを備えることにより、目的に応じて励起効率、蛍光集光効率、タンパク等の表面固定能力を向上させることができ、これらにより光学的手法、特に蛍光法に基づく分析測定精度の向上を図ることができる。
【００１５】
また、光学プローブの製造方法によれば、自在に光導波部の表面粗さに変化を付した光学プローブが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る光学プローブは、前記表面粗さは前記光導波部の入出射側では小さく、先端側では大きくしたことを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る光学プローブは、前記光導波部は円柱状又は板状としたことを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る光学プローブは、測定装置に対する取付部を設け、該取付部により前記測定装置に着脱自在としたことを特徴とする。
【実施例１】
【００１９】
図１は実施例１の光学プローブ１の側面図であり、光学プローブ１は例えば光学的に透明な合成樹脂材等から成り、主として円柱状の光導波部２と、上部に光を入出射するための凸レンズを有する光入出射部３とから成り、光導波部２と光入出射部３の間には後述する測定装置に装着する際に取付部として使用されるフランジ４が形成されている。
【００２０】
この光学プローブ１においては、光導波部２の表面の特定個所に制御された表面粗さを有しており、この表面粗さは光入出射側でより小さく、先端側でより大きくすることが好ましい。
【００２１】
光学プローブ１に用いる樹脂材料については、特に限定するものではないが、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネートなどが挙げられ、離型剤や外部潤滑剤は、支障のない範囲で用いてもよい。光学プローブ１は光散乱要素を意図的に制御しなければならないので、樹脂中の塵埃や、気泡の原因になる水分など、他の光散乱要素となるものの流入には十分に注意を払う必要がある。
【００２２】
光学プローブ１は励起光を内部全反射光として表面に発生させたエバネッセント波による蛍光法に多く用いられる。このような用法に対しては、光学プローブ１の表面の平滑性を最大限に確保することが一般的である。表面の傷や粗さによる光散乱要因は、損失又は迷光となる。
【００２３】
しかし、若干の散乱が支障のない範囲で感度を向上させる場合があることを、本発明者らは見い出している。それは、抗体により抗原を捕捉後に、この抗原に標識抗体を結合する細菌などのサンドイッチ法測定において見られる。その原理は詳細に解明されていないが、図２の説明図は想定される概念を示している。なお、図２は模式的なものであり、細菌、抗体、表面粗さなどの相対的大きさは厳密に描かれていない。
【００２４】
エバネッセント波は表面から数１００ｎｍの範囲Ｄにしか有効な染み出しがないので、これによる励起は１μｍほどもあり、捕捉抗体Ｅにより捕捉された細菌Ｆにおいては、通常では（ａ）に示すように、光導波部２の近くに存在する標識抗体Ｇしか励起できない。しかし、（ｂ）に示すように光導波部２の表面での粗さによる散乱に由来する漏れ光Ｈや回折光Ｉが混在する場合には、これらの光が細菌Ｆの遠方側まで到達し、多くの標識抗体Ｇを励起することが可能になると推測される。この際に、結合していない遊離の標識抗体Ｇや蛍光性の夾雑物を励起してしまう可能性があるが、これらは洗浄操作により軽減することができる。
【００２５】
このように表面粗さによる散乱光を積極的に用いれば、光学プローブ１の表面から離れた対象まで励起することは可能である。しかし、散乱光は漏れ光Ｈや回折光Ｉであり、励起光の光学プローブ１内の伝播を減衰させることになり、光学プローブ１における励起が可能な表面積は減少することになって、感度を低下させる。
【００２６】
このことは、特に光導波部２の入出射側に近い表面において問題であり、入出射側付近で外部に光を漏らし過ぎると、その先の部分が光量不足で測定に寄与しなくなる。従って、表面粗さは、（イ）適当な粗さ成分を均一に分布させるか、（ロ）先端側に入出射側よりも粗い面を用意するという形態で与えることが望ましい。
【００２７】
図３は（ロ）の形態における励起光の経路を示した一例であり、入出射側では内部全反射が主であり、先端側に向かうほど外部に通常光として漏れる割合が高くなる。
【００２８】
このような表面粗さの形態は、励起と集光を兼ねる光学プローブ１に対して有効である。光学プローブ１において励起光の伝播と放出だけを行い、測光を光学プローブ１の外部の例えば横方向から行うタイプの光学系に対しては、粗い表面からの散乱光が迷光となるため、必ずしも有効ではない。また、集光を兼ねる光学プローブ１においては、光学プローブ１の表面の粗さが蛍光の反射を抑制し、光学プローブ１内部への蛍光の取り込みを高める。
【００２９】
表面粗さの大きさは、使用する光の波長が目安であり、適度な散乱を得る目的としては、光の波長と同程度又は稍々大きいものが望ましい。波長よりも小さい粗さは散乱には殆ど寄与しないが、タンパクなどの固定における保持力を向上させるためには好適である。また、大き過ぎる粗さは、その点に漏れ光が集中してしまい、全体的な効率を低下させてしまう虞れがある。
【００３０】
光学プローブ１の光導波部２に表面粗さを所望の位置と量で与える方法としては、先ず成形品に対して二次的に与える方法が考えられる。例えば、侵食性を有する溶液に浸漬する方法、研磨、サンドブラストなどが挙げられる。しかし、これらの二次的方法は樹脂製光学プローブ１に対しては材料への損傷が大きい。また、個々の光学プローブ１に二次的方法を行うことは生産性が低く、成形加工時に表面粗さを同時に制御することがより望ましい。
【００３１】
光学プローブ１の工業的な製造に際しては、特定個所に表面粗さを設けた光学プローブ１と同形状のマスタを作製し、このマスタを用いて電解鋳造加工を行った駒を組み込んだ金型により成形することが例として挙げられる。
【００３２】
成形時に表面粗さを所望の位置と量で与えるためには、一般的には型に組み込む駒の内面に施すことになるが、径が小さく深さがあり、光導波部２の長さが長いような穴の内面の微細加工を行い、更に表面粗さを測定することは困難である。従って、成形品の光学プローブ１と同形状の原型つまりマスタを作製し、このマスタに所定形状と所定の表面粗さを与えておき、その後に駒に電解鋳造加工によって転写する方法が有効である。この場合に、マスタの表面加工は外側から行われるので、様々な装置、手法を容易に駆使することが可能となる。
【００３３】
図４はマスタの作製から駒の作製までの２つの工程例を示している。マスタ１１の材質は鉄、ＳＵＳなどの金属材料、超硬、セラミック等の素材が使用できる。先ず、（ａ）に示すように素材からマスタ１１をバイト１２等により機械加工で作製し、それを（ｂ）に示すように所望の表面粗さまで研磨する。研磨剤の種類や粗さを磨く場所で変えたり、磨きの圧量を変えることにより、研磨だけで任意の粗さを与える場合や、シボ加工やホーニング加工で任意の粗さを与えることができる。
【００３４】
別の方法としては、マスタ１１を一回り小さく機械加工で作製し、このマスタは（ｃ）に示すように、化学ニッケルメッキや銅系のメッキ層１３を付着し、超精密旋削加工機に取り付け、（ｄ）に示すようにダイヤバイト１４等で鏡面切削加工を行う方法がある。その際に、任意の場所でバイト送りピッチやバイトの加工量等を変えることで、表面粗さを自在に変化させることが可能である。
【００３５】
上記の何れかの方法で作製されたマスタ１１を、非接触の粗さ計や形状測定器などで測定評価を行いながら表面粗さの調整をする。その後に（ｅ）に示すようにマスタ１１を陰極として電鋳液中で電解鋳造を行うことにより、成形に使用できる穴の開いた電鋳駒１５を得る。電解鋳造としては、ニッケル電解鋳造や銅電解鋳造が挙げられる。（ｆ）に示すように作製された駒１５の内表面は所望の粗さに仕上げられており、外形加工等を行ってから金型に組み込まれ、射出成形などの成形により成形品の光学プローブ１を得る。
【００３６】
実際の製造に当っては、マスタ１１はＮＣ旋盤加工機により、ＳＵＳ製の丸材素材をバイト１２で旋削加工して所定の形状のものを得た。次に、形状を狂わせることなく、マスタ１１表面を研磨した。即ち、紙やすりの粗いものから順に細かくしてゆき、最終的にはダイヤペーストを付着した研磨布で研磨した。この際に、研磨工程中に非接触の粗さ計で評価をしながら、光導波部２の入射部側と先端側の表面粗さを調整した。この調整方法はダイヤペーストの粗さ、及び研磨布の押し付け圧力により行った。
【００３７】
このマスタ１１を変形しないように保持して電解鋳造槽に投入し、ニッケル電解鋳造を行った。駒１５として十分な厚さのニッケル層が形成されたところで電解鋳造層から取り出し、マスタ１１を引き抜いた。駒１５の両端加工を行った後に、穴を基準に外形を円筒研削加工機で加工し、射出成形の金型に装填可能な形状とした。
【００３８】
以上の工程により、光導波部２の個所に因らずに一様な表面粗さ（表面粗さＰｖ＝３５ｎｍ）を有する駒１５ａ、及び個所により表面粗さが異なる２種類の駒１５ｂ、１５ｃ（入出射側Ｐｖ＝３５ｎｍ、先端側Ｐｖ＝２００ｎｍが連続的に変化している）を作製した。
【００３９】
射出成形においては、１点ゲートのコールドランナ方式の金型、及び射出成形機（ＳＧ５０Ｍ、住友重機械工業社製、スクリュー径φ２２ｍｍ）を使用した。材料はポリスチレン樹脂を８０℃、４時間以上乾燥して使用した。これらの３つの駒１５ａ、１５ｂ、１５ｃに対し、２種類の保持圧力ａ、ｂで成形した成形品の光学プローブ１ａ、１ａ、１ａの表面粗さＰｖは、表１に示す通りである。
【００４０】
表１
Ｎｏ．  駒の表面粗さ（ｎｍ）      保持圧力    成形品の表面粗さ（ｎｍ）
［入出射側―先端側］       （ＭＰａ）  ［入出射側―先端側］
１ａ      ３５―２００                ａ        １５―５００
１ｂ      ３５（均一）                ａ        ２７
１ｃ      ３５（均一）                ｂ        ４５―２２０
【００４１】
表１の光学プローブ１ａ、１ｂ、１ｃの先端側端面に反射抑制を目的として黒色塗料を塗布し、円柱状部位表面には抗大腸菌Ｏ１５７：Ｈ７ポリクローナル抗体を固定した。そして、励起及び測光には図５に示す光学系を用いた。
【００４２】
洗浄液は０．５％のポリオキシエチレン（２０）ソルビタンモノラウレートを含む０．０１Ｍりん酸緩衝液（ｐＨ７．４）を用いた。蛍光標識抗体は抗体にCy5 bisfunctional reactive dye（アマシャムバイオサイエンス社製）を作用させて作製し、洗浄液に２μｇ／ｍｌで溶解して用いた。検体として、１０〜１００００００ＣＦＵ／ｍｌの大腸菌Ｏ１５７：Ｈ７を含む溶液を用意し、各光学プローブ１ａ、１ｂ、１ｃごとに次のようにして測定を行った。
【００４３】
これらの光学プローブ１に対する測定は、光学プローブ１を図５に示す測定ポート２１内の挿入部２２に挿入し、フランジ４により固定して測定を行った。測定ポート２１には、挿入部２２に対して送液口２３、排液口２４が設けられている。
【００４４】
測定光学系においては、半導体レーザー光源３１からの光（６３５ｎｍ）は、レンズ３２、ハーフミラー３３、レンズ３４を通過して光学プローブ１の上方の光入出射部３から入射される。光導波部２において励起された帰還光は、ハーフミラー３３で水平方向へ取り出され、フィルタ３５、レンズ３６を介して分光され、フォトダイオード３７で検出される。
【００４５】
測定手順は下記の通りである。
（１）検体溶液１ｍｌを０．１ｍｌ／分で測定ポート２１内に送液する。
（２）洗浄液２ｍｌを１０ｍｌ／分で、測定ポート２１内に送液する。
（３）標識抗体溶液を測定ポート２１内に注入し、５分静置する。
（４）洗浄液２ｍｌを１０ｍｌ／分で、測定ポート２１内に送液する。
（５）測定ポート２１内に洗浄液が満たされた状態で、光学系を用いて光学プローブ１に対する励起及び測光する。
（６）測定ポート２１内で検体（１０倍濃度）に交換し、上記（１）〜（５）を実施する。
【００４６】
図６は測定の結果を示し、散乱の起こり易い表面粗さを与えた光学プローブ１ａにおいて、低濃度領域で感度が向上している。
【実施例２】
【００４７】
光学プローブ１の作成において、駒１５の内表面粗さを用いない実施例２として、射出成形の成形条件で制御する方法が挙げられ、この方法は円柱状のような細長い形状の成形品に対して有効である。
【００４８】
一般に、樹脂を型の穴先端まで完全に充填し、型の表面粗さを転写するには、射出圧量を或る程度高く設定するか、早い速度で樹脂を充填させなければならない。
【００４９】
しかし、完全に充填させる成形条件よりも保持圧力を若干下げることにより、溶融樹脂先頭の充填圧力が低くなり、その結果として型の表面粗さよりも成形品の表面を粗くすることが可能である。
【００５０】
これにより、型のキャビティ側に設定した光学プローブ１の先端側付近の表面に粗さを与えることができる。保持圧力は光学プローブ１の大きさと形状に依存し一義的に決まるものではないが、低過ぎると充填不足のため、全体的に表面粗さが増すことになる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
なお、本発明で適用できる光学プローブ１は、図１に示した円柱状の光学プローブ１だけではなく、図７に示すように例えば光学的に透明な樹脂を成形した板状の光学プローブ１’であってもよい。この光学プローブ１’においては底面が光導波部２’となり、底部側面に光入出射部３’が設けられている。なお、Ｌは試料である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】実施例における光学プローブの側面図である。
【図２】原理的説明図である。
【図３】光学プローブにおける励起光の経路の説明図である。
【図４】マスタから駒を作製する工程例の概略図である。
【図５】測定光学系の構成図である。
【図６】実施例における測定結果のグラフ図である。
【図７】板状の光学プローブの断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１、１’  光学プローブ
２、２’  光導波部
３、３’  光入出射部
４  フランジ
１１  マスタ
１３  メッキ層
１５  駒
２１  測定ポート
３１  半導体レーザー光源
３２  ハーフミラー
３５  フィルタ
３７  フォトダイオード
【図１】
2005121611.tif 000003
【図２】
2005121611.tif 000004
【図３】
2005121611.tif 000005
【図４】
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【図５】
2005121611.tif 000007
【図６】
2005121611.tif 000008
【図７】
2005121611.tif 000009